近日,中国科学院科技战略咨询研究院、中国科学院文献情报中心与科睿唯安公司联合向全球发布了《2017 研究前沿》报告和《2017 研究前沿热度指数》报告。

 

报告显示,中国在 25 个研究前沿领域表现卓越,约占 18%。其中,中国在植物基因组编辑技术、华北克拉通、聚合物太阳能电池、粲物理等前沿主题做出了突出贡献。

 

 

现如今,能源问题已经成为全球关注的共同话题,各国也在不断尝试和发展新能源及再生能源,如太阳能、地热能、潮汐能、核聚变能等。其中,太阳能作为新能源的一种,由于技术相对成熟,广受各国青睐,而中国已经成为全球最主要的太阳能市场。因此,今天我们就来说说此次入选《2017 研究前沿》的聚合物太阳能电池。

 

聚合物太阳能电池原理

聚合物太阳能电池基本原理是利用光入射到半导体异质结构或金属半导体界面附近产生的光生伏打效应。光生伏打效应是光激发产生的电子空穴对 - 激子被各种因素引起的景点势能分离产生的电动势的现象。

 

当光子入射到光敏材料时,光敏材料被激发产生电子和空穴对,在太阳能电池内建电场的作用下分离和传输,然后被各自的电极收集。在电荷传输的过程中,电子向阴极移动,空穴向阳极移动,如果将器件的外部用导线连接起来,这样在器件的内部和外部就形成了电流。

 

作为关键器件,聚合物太阳能电池性能参数直接决定了其应用领域。为此,各国研究人员在其性能改进方面投入了大量研究,包括改善光吸收、提高迁移率、新型材料及理论探索等。

 

聚合物太阳能电池发展历程

1977 年,艾伦·黑格等三位科学家共同发现碘掺杂可使聚乙炔的电导率提高上千万倍,即在一定的条件下,聚合物可以像金属一样导电,从而开创了一个全新的应用领域,并因此获得 2000 年诺贝尔化学奖。

 

1982 年,温伯格等人通过研究聚乙烯的光伏性质,制造出了第一个具有真正意义的太阳能电池,当时转换效率仅为(10-3%)。随后,哥勒尼斯等人制作了聚噻吩太阳能电池,但都没有突破转化率问题。

 

1992 年,萨利奇夫奇等人发现 2- 甲氧基 -5-(2- 乙基 - 乙氧基)-1,4- 苯乙炔(MEH-PPV)与 C60 复合体系中存在快速光诱导电子转移现象,随之共轭聚合物 /C60 复合体系在太阳电池中的应用得到迅速发展。

 

2004 年,Alam 等人利用 MEH-PPV 为电子供体,BBL 为电子受体制作的纯聚合物双层太阳能电池器件的能量转换效率达到 4.6%,这在当时也是最好纪录。

 

2005 年,Heeger 课题组采用新颖的器件制作方法,制作出的聚(3- 已基噻吩)P3HT 与 PCBM(富乐烯衍生物)掺混的本体异质结电池薄膜经 150℃退火后,所得电池器件转换效率高达 5%。

 

国内聚合物太阳能电池新进展

中国科学院化学研究所高分子物理与化学实验室侯剑辉课题组研究人员持续围绕叠层有机光伏电池关键材料和器件制备开展了大量研究。研究人员围绕基于聚合物 - 富勒烯的有机光伏电池,系统优化了宽带隙和窄带隙的光伏活性层材料以及相应的叠层器件制备方法,在 2015 年和 2016 年分别实现了 10%和 11%的光伏效率,达到国际领先水平。

 

建物构所结构化学国家重点实验室郑庆东课题组首次将不对称茚并噻吩作为构筑单元用于系列新型聚合物太阳能电池材料的设计与合成。基于所合成的聚合物材料,该团队成功制备了 9.14%的高转换效率的太阳能电池。

 

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